ЦЕНТРОБЕЖНО-ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР "ШЭРДОР" Российский патент 2018 года по МПК F04D29/00 

Изобретение относится к вентиляторам, компрессорам и движителям аппарата вертикального взлета и посадки.

Известны центробежные вентиляторы, содержащие рабочее колесо с лопатками, плоскости которых параллельны оси вращения колеса. Перемещение газовой массы происходит за счет центробежных сил, направляющих газ в радиальном направлении. Потери энергии происходят при изменении направления движения газов и при сравнительно длинном пути прохождения газов в улитке корпуса.

Известны осевые вентиляторы, содержащие рабочее колесо с лопастями, плоскость которых ориентирована под углом к оси вращения колеса. Перемещение газовой массы происходит по спирали, ось которой совпадает с осью вращения колеса. Потери энергии происходят по причине непроизводительного закручивания массы газа во вращательное движение и затраты на центробежное ускорение.

Известны осевые компрессоры, в которых закручиваемая масса газа спрямляется неподвижными, относительно корпуса, лопатками и производит полезную работу в виде давления на неподвижные лопатки в осевом направлении. Затраты энергии на центробежное ускорение непроизводительны.

Известно техническое решение, принятое за прототип. Рабочее колесо осевого вентилятора или компрессора и вентиляторный контур двухконтурного турбовентиляторного двигателя, использующий такое рабочее колесо (Патент RU 2460905 С2). В этом техническом решении энергия потока в радиальном направлении частично проделывает полезную работу за счет давления на внутреннюю поверхность конусообразного тракта или бандажа. Но основная доля энергии от радиального уплотнения массы газа остается неиспользованной в полезной работе. Также остается неиспользованной вращательная энергия газа. И остается проблема преимущественного уплотнения газа в радиальном направлении, что повышает отрицательный эффект перетекания газа на торцах лопаток из зоны повышенного давления в пониженную.

Задачей изобретения является создание вентилятора или ступени компрессора с равномерным уплотнением газа по плоскости вращения, образуемой лопатками вентилятора или компрессора, и с максимальным использованием энергии центробежных и осевых сил газа, что приведет к повышению коэффициента полезного действия механизма.

Технический результат достигается тем, что вращающиеся лопатки максимально ускоряют газ в осевом, центробежном и вращательном направлениях, а неподвижные лопатки спрямляют поток таким образом, что в каждой точке плоскости вращения вентилятора вектор скорости газа направлен перпендикулярно этой плоскости вращения.

Внутренний профиль (корытце) вращающихся лопаток в поперечном сечении имеет форму дуги и содержит качество как осевого, так и центробежного вентиляторов. Это достигается тем, что угол атаки входящей кромки аналогичен углу атаки осевого вентилятора (или воздушного винта) в соответствующих точках от оси вращения. То есть если провести касательную к дуге профиля поперечного сечения в точке входа газа, то угол атаки касательной будет в пределах угла атаки воздушного винта. Если касательную провести к дуге профиля поперечного сечения лопатки в точке выхода газа из вращающейся лопатки, то она будет параллельна оси вращения вентилятора, а плоскость, проведенная через эту касательную, будет аналогична лопасти центробежного вентилятора. Таким образом, в начале входной кромки газ ускоряется преимущественно в осевом направлении, а по мере приближения к выходной кромке - преимущественно в центробежном. В момент выхода с выходной кромки вращающейся лопатки газу придается максимальная кинетическая энергия в виде осевой, радиальной и тангенциальной скоростей. Результирующий вектор этих скоростей при выходе с кромки вращающейся лопатки направлен таким образом, что в каждой отдельно взятой точке неподвижной лопатки находится в одной плоскости с дугообразным профилем поперечного сечения неподвижной лопатки и направлен по касательной к этой дуге. Дугообразный профиль корытца неподвижной лопатки спрямляет поток газа таким образом, что при выходе вектор скоростей газа направлен параллельно оси вращения вентилятора. В результате этого кинетическая энергия всех трех составляющих скорости газа проделывает полезную работу.

На графических материалах схематично показано: Фиг. 1 - вид вентилятора параллельно оси вращения со стороны вращающихся лопаток, совмещенный с видом без бандажей и с видом Е-Е без вращающихся лопаток; Фиг. 2 - разрез вентилятора плоскостью, проходящей по оси вращения вентилятора; Фиг. 3 - Разрез лопаток вентилятора плоскостью, проходящей по линии вектора скорости газа перетекающего с нижней кромки вращающейся лопатки на верхнюю кромку неподвижной лопатки и далее исходящего с нижней кромки неподвижной лопатки; Фиг. 4 - разрез лопаток вентилятора плоскостью, перпендикулярной к продольной линии вращающейся лопатки.

Вентилятор на Фиг. 2 состоит из корпуса 1 с силовым приводом 2, приводящим во вращение диск 3 с установленными в нем лопатками 4. Вращающиеся лопатки 4 по периферийным торцам соединены бандажом 5. В корпусе 1 установлены неподвижные лопатки 6, периферийные торцы которых соединены бандажом 7. В случае применения изобретения в качестве ступени компрессора бандаж 5 может отсутствовать, а неподвижные лопатки 6 закрепляются периферийными торцами к наружному корпусу компрессора образующему внутренний газовый тракт компрессора.

Одним из вариантов осуществления изобретения является вентилятор, приводимый во вращение силовым приводом 2, диск 3 с лопатками 4, выполненными с изогнутым профилем в поперечном сечении. Профиль вращающихся лопаток 4 и угол атаки, в зависимости от удаленности от центра вращения и числа оборотов, должен обеспечить максимальное увлечение газа с сохранностью ламинарного течения. Газ, увлекаемый вращающейся лопаткой 4 по аналогии с осевым вентилятором, перемещается в осевом направлении, по мере продвижения газа по внутреннему профилю лопатки увеличивается центробежная составляющая скорости газа. На выходе из вращающейся лопатки 4 результирующий вектор скорости газа направлен перпендикулярно к касательной, проведенной к кромке неподвижной лопатки 6 в точке входа в нее газа. То есть в любой точке неподвижной лопатки 6 газ проходит путь от входа в лопатку до выхода из нее по кратчайшему пути, при этом спрямляя поток во всех трех направлениях: осевом, центробежном, вращательном. Результирующее направление скорости газа при выходе из неподвижной лопатки 6 можно задавать путем изменения кривизны поперечного сечения лопатки в зоне выхода из нее газа. На представленных графических материалах показан вариант направления газа параллельно оси вращения вентилятора. Неподвижные лопатки 6 имеют саблевидную линию кромок и изогнутый профиль в поперечном сечении. Линия кромок 6 ориентирована к результирующему вектору скорости потока, исходящего с кромки вращающейся лопатки 4 таким образом, когда при сближении кромок вращающихся лопаток 4 с неподвижными лопатками 6 поток газа входит под прямым углом к линии кромки неподвижной лопатки, а исходящий с этой лопатки 6 газ направляется параллельно оси вращения лопаток 4. Возможны и другие варианты направления газа, сходящего с нижней кромки неподвижной лопатки 6, например, на сближение с осью вращения или на удаление. Но в любом случае достигается цель использования всей энергии движущейся массы газа как в центробежном, так и в осевом направлениях.

Изобретение относится к вентиляторам, компрессорам и движителям аппарата вертикального взлета и посадки. Техническим решением является использование энергии всей ускоряемой массы газа как в осевом, так и в радиальном направлениях. Профиль вращающихся лопаток содержит качество как осевого так и радиального вентилятора, а профиль и направление линии кромок неподвижных лопаток ориентировано к входящему потоку таки образом, при котором исходящий из них газ направляется параллельно оси вращения вентилятора или в ином направлении. Изобретение повышает КПД и пропускную способность механизма. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вентилятор, содержащий набор принудительно вращаемых лопаток и набор неподвижных лопаток, отличающийся тем, что внутренний профиль вращающейся лопатки в поперечных сечениях является дугой и эта дуга ориентирована к плоскости своего вращения таким образом, что угол, образуемый плоскостью вращения и касательной, проведенной к дуге в точке входа газа, аналогичен углу вращающихся лопаток осевого вентилятора, а угол, образуемый плоскостью вращения и касательной в точке выхода газа, равен 90 градусам, аналогично центробежному вентилятору.

2. Вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что внутренний профиль неподвижной лопатки в поперечных сечениях представляет дугу, которая находится в одной плоскости с вектором скорости газа, исходящего с вращающейся лопатки.

3. Вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что вектор скорости газа при выходе из неподвижной лопатки направлен параллельно оси вращения вентилятора.

4. Вентилятор по п. 1, отличающийся тем, что вектор скорости газа при выходе из неподвижной лопатки может быть направлен на сближение с осью вращения вентилятора или на удаление от нее.